(57)【要約】【課題】  局所的な不均一が原因と推測される混合液体の混合状態を改善すること。【解決手段】  誘電率の異なる液体を混合してなる混合液体の液体濃度を混合液体の誘電率を検出することにより測定する液体濃度センサ３１と、混合液体の流路１４に設けられて混合液体に超音波を照射する超音波振動子３２とを具備し、超音波振動子３２から超音波を照射した混合液体の液体濃度を測定する。【選択図】  図１
2005121430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電率の異なる液体を混合してなる混合液体の液体濃度を混合液体の誘電率を検出することにより測定する液体濃度センサと、前記混合液体の流路に設けられて前記混合液体に超音波を照射する少なくとも一つの超音波発生手段とを具備し、該超音波発生手段から超音波を照射した混合液体の液体濃度を測定することを特徴とする液体濃度検出装置。
【請求項２】
燃料と電解質とを混合してなる混合液体を燃料電池に供給する燃料電池の燃料供給装置であって、
液体の燃料を貯蔵しておく燃料貯蔵容器と、
液体の電解質を貯蔵しておく電解質貯蔵容器と、
前記燃料容器及び前記電解質容器から供給される燃料及び電解質を混合させる混合容器と、
該混合容器から混合液体を燃料電池に供給して閉回路の流路を循環させる液送手段と、  誘電率の異なる液体を混合してなる混合液体の液体濃度を混合液体の誘電率を検出することにより測定する液体濃度センサと、前記混合液体の流路に設けられて前記混合液体に超音波を照射する少なくとも一つの超音波発生手段とを備え、該超音波発生手段から超音波を照射した混合液体の液体濃度を測定する液体濃度検出装置と、
を具備して構成したことを特徴とする燃料電池の燃料供給装置。
【請求項３】
前記液体濃度センサが前記混合容器と燃料電池との間を連結する流路に配設され、前記超音波発生手段が前記混合容器と前記液体濃度センサとの間を連結する流路に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【請求項４】
前記超音波発生手段が前記混合タンクの出口部近傍に配設されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【請求項５】
前記超音波発生手段が、前記液送手段に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【請求項６】
前記超音波発生部が、前記流路、前記混合タンク及び／または前記液送手段の外壁側に配設されていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の燃料電池の燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば液体燃料を用いて作動する燃料電池の液体燃料濃度のように、混合液体の液体濃度（混合割合）を検出する液体濃度検出装置及びこれを備えた燃料電池の燃料供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、たとえばＰＤＡ（電子手帳）、コンピュータ、携帯電話など、小型で持ち運べる情報機器の利用形態を総称して「モバイル」と呼び、さらには、このような利用形態の機器類を総称して「モバイル機器」という用語が広く用いられている。このようなモバイル機器においては、その機能が年々増加して電源（電池）に対する要求も厳しいものとなっている。しかしながら、現在の主流であるリチウムイオン電池等の電池類は、モバイル機器側の進化に追いついていないのが現状であり、小型で寿命の長い電源の開発が求められている。
【０００３】
このような背景から、モバイル機器の機能強化に対応し、しかも、長時間駆動を可能にする将来的に有望な電源として燃料電池が注目され、その実用化に向けた研究開発が鋭意進められている。
現在、燃料電池にはいくつかの種類があり、上述したモバイル機器用の燃料電池としては、メタノールを直接燃料として使用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）が有望視されている。このような直接メタノール型燃料電池のシステムは、たとえば特表２００３−５０７８５９号公報及び特表２００３−５１０７７７号公報に開示されている。そして、このような直接メタノール型燃料電池においては、その制御パラメータとして水で希釈したメタノール濃度が重要になるため、上記公報には、水及びメタノールを混合した混合液体の誘電率を利用してメタノール濃度を検出する方法も開示されている。
【０００４】
また、従来より、水に溶けない高分子の物質を水などに均等になじませるため、超音波で高分子を分解して溶け込ませることが行われている。（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−７１４６３号公報
【特許文献２】特開２００２−２２６５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、直接メタノール型燃料電池においては、その制御パラメータとして水で希釈したメタノール濃度が重要になるため、水及びメタノールを混合した混合液体の誘電率を利用してメタノール濃度を正確に検出することが求められる。
しかしながら、本発明者の実験によれば、コンデンサとして機能する一対の電極をメタノール水溶液中に設置して誘電率の変動からメタノール濃度を測定した場合、図３に示すように、時間の経過に応じて静電容量の測定値が大きく変動するという不安定な結果が得られた。
【０００６】
すなわち、図３の実験結果について、横軸に測定開始からの時間（秒）をとり、縦軸に静電容量の測定値（ｐＦ）をとったグラフを示すと、上段の超音波なし（右側の目盛り）の場合には、測定開始からおおよそ５３．４ｐＦ〜５３．７ｐＦの範囲でかなりの変動をしていることがわかる。このような測定値の変動は、メタノール水溶液に局所的な不均一（濃淡）があるためと推測される。
上述した測定値の変動は、メタノール水溶液濃度の測定値を直接メタノール型燃料電池の制御パラメータとして用いる上で好ましいことではなく、燃料電池側の制御を適切に行うためにも変動のない正確な濃度測定が望まれる。特に、直接メタノール型燃料電池の場合、現状では数パーセントのメタノール濃度で使用されていることに加えて、電池自体を小型化する必要があるため非常に小さな電極をメタノール水溶液の流れの中に設置して静電容量を検出することとなる。このため、メタノール水溶液に局所的な濃淡が存在していればその影響を受けやすく、結果的に濃淡を検出した変動が検出されて測定誤差となる。従って、このようなメタノール濃度の測定誤差を小さくするためには、局所的な不均一の解消が望まれる。
【０００７】
さらに、直接メタノール型燃料電池において、局所的に濃度の高いメタノール水溶液が供給されると、クロスオーバーと呼ばれる現象を生じるおそれがあり、電池寿命を低下させる原因になるなどして好ましくない。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、局所的な不均一が原因と推測される混合液体の混合状態を改善することにより、測定値に変動が生じない高精度な濃度測定を可能にする液体濃度検出装置及びこれを備えた燃料電池の燃料供給装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の液体濃度検出装置は、誘電率の異なる液体を混合してなる混合液体の液体濃度を混合液体の誘電率を検出することにより測定する液体濃度センサと、前記混合液体の流路に設けられて前記混合液体に超音波を照射する少なくとも一つの超音波発生手段とを具備し、該超音波発生手段から超音波を照射した混合液体の液体濃度を測定することを特徴とするものである。
【０００９】
このような液体濃度検出装置によれば、少なくとも一つの超音波発生手段から超音波を照射した混合液体の液体濃度を測定するので、混合液体の局所的な濃度の不均一を解消した状態として濃度測定を実施することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池の燃料供給装置は、燃料と電解質とを混合してなる混合液体を燃料電池に供給する燃料電池の燃料供給装置であって、液体の燃料を貯蔵しておく燃料貯蔵容器と、液体の電解質を貯蔵しておく電解質貯蔵容器と、前記燃料容器及び前記電解質容器から供給される燃料及び電解質を混合させる混合容器と、該混合容器から混合液体を燃料電池に供給して閉回路の流路を循環させる液送手段と、誘電率の異なる液体を混合してなる混合液体の液体濃度を混合液体の誘電率を検出することにより測定する液体濃度センサと、前記混合液体の流路に設けられて前記混合液体に超音波を照射する少なくとも一つの超音波発生手段とを備え、該超音波発生手段から超音波を照射した混合液体の液体濃度を測定する液体濃度検出装置と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１１】
このような燃料電池の燃料供給装置によれば、超音波発生手段から超音波を照射して局所的な濃度の不均一を解消した混合液体の液体濃度を測定する液体濃度検出装置を備えているので、燃料電池を制御する制御パラメータとして高精度で安定した液体濃度の測定値を得ることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池の燃料供給装置においては、前記液体濃度センサが前記混合容器と燃料電池との間を連結する流路に配設され、前記超音波発生手段が前記混合容器と前記液体濃度センサとの間を連結する流路に配設されていることが好ましい。
この場合、前記超音波発生手段は、特に前記混合タンクの出口部近傍に配設されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の燃料電池の燃料供給装置においては、前記超音波発生手段が、前記液送手段に配設されていることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の燃料電池の燃料供給装置においては、前記超音波発生部が、前記流路、前記混合タンク及び／または前記液送手段の外壁側の外壁側に配設されていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の液体濃度検出装置によれば、超音波が照射された混合液体の液体濃度を測定するので、局所的な濃度の不均一が解消された状態で濃度測定を行うことができ、ばらつきがなく安定した高精度の測定値を得ることができる。
【００１６】
また、本発明による燃料電池の燃料供給装置によれば、超音波が照射された混合液体の液体濃度を測定する液体濃度検出装置を備えているので、局所的な濃度の不均一が解消された混合液体の濃度を測定することができる。このため、燃料電池の燃料供給装置では、ばらつきがなく高精度で安定した液体濃度の測定値を得て制御パラメータとし、燃料電池の出力制御を容易かつ高精度に実施できるという顕著な効果が得られる。そして、直接メタノール型燃料電池で濃度が均一なメタノール水溶液を燃料として循環させることができるので、クロスオーバー現象を防止して電池寿命の向上にも効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る液体濃度検出装置及びこれを備えた燃料電池の燃料供給装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態として、直接メタノール型燃料電池の燃料供給装置を示す構成図である。この燃料供給装置１０は、燃料のメタノールと電解質の水とを混合してなる混合液体（メタノール水溶液）を燃料電池（ＤＭＦＣ）２０に供給する燃料電池の燃料供給装置である。この燃料供給装置１０は、液体の燃料であるメタノールを貯蔵しておく燃料貯蔵容器のメタノールタンク１１と、液体の電解質である水を貯蔵しておく電解質貯蔵容器の水タンク１２と、メタノールタンク１１及び水タンク１２から供給されるメタノール及び水を混合させる混合容器である混合タンク１３と、この混合タンク１３からメタノール／水の混合液体を燃料電池２０に供給して閉回路の流路１４を循環させる液送手段のポンプ１５と、混合液体中のメタノール濃度を測定する液体濃度検出装置３０とを具備して構成される。
【００１８】
メタノールタンク１１及び水タンク１２は、それぞれが図示しない流量制御手段を備えている。流量制御手段の具体例としては、燃料電池に設けられた図示しない制御部からの制御信号を受けて、開閉制御や開度調整がなされる流量制御弁等がある。
また、ポンプ１５についても、上述した流量制御手段と同様に、運転・停止や運転速度等の制御信号を制御部から受けて運転される。
【００１９】
液体濃度検出装置３０は、混合液体の液体濃度を混合液体の誘電率を検出することにより測定する液体濃度センサ３１と、上述した混合液体の流路１４の適所に設けられ、該流路１４を流れる混合液体に超音波を照射する超音波発生手段の超音波振動子３２とを具備して構成される。なお、超音波振動子３２は、少なくとも一カ所に一つ設けられていればよいが、必要に応じて複数としてもよい。
【００２０】
液体濃度センサ３１は、コンデンサとして機能する一対の電極が混合液体中に設置されており、電極間に存在する混合液体の濃度に応じて変化する誘電率を図示しない回路基板で検出して、混合液体のメタノール濃度を測定するものである。すなわち、メタノール及び水のように、互いの誘電率が異なる液体を混合してなる混合液体は、その混合割合に応じて誘電率が変化することを利用して液体濃度の測定を行うものである。なお、この液体濃度検出装置３０で測定したメタノール濃度は、燃料電池２０の図示しない制御部に入力されて出力制御の制御パラメータとして使用される。
【００２１】
超音波振動子３２は、液体濃度を測定する混合液体に超音波を照射するものであり、たとえば混合タンク１３と燃料電池２０との間、より具体的には燃料電池２０の上流側に設置することが好ましい液体濃度センサ３０の液体濃度センサ３１との間の流路１４に配設されている。このように、混合タンク１３の出口側でかつ液体濃度センサ３１の上流側に超音波振動子３２を配設して超音波を照射すれば、混合タンク１３内で一次撹拌を行い、さらに、濃度測定する混合液体に対し確実かつ効率的な超音波照射を施して二次撹拌を行うことができる。なお、超音波振動子３２は、液体濃度センサ３１に超音波の影響が及ばないようにするため、液体濃度センサ３１からできるだけ離れた位置である混合タンク１３の出口近傍に設置し、混合タンク１３で混合されて流路１４に流出したメタノール水溶液に超音波照射を施すことが望ましい。
【００２２】
また、図示の超音波振動子３２は、流路１４の外側である外壁に設置されており、流路１４の管路内部を流れる混合液体に管路の肉厚を通過する超音波を照射している。なお、超音波振動子３２としては、圧電セラミックス等の圧電素子を使用できる。
このように、超音波振動子３２を流路１４の外壁側に設置すると、流路１４内に設置する場合と比較して超音波の出力を大きくする必要が生じるものの、混合液体と直接接触しないという利点があり、たとえば耐食性や防水性等を確保する対策が不要となる。
【００２３】
上述した構成の燃料供給装置１０では、流量制御手段によりメタノールタンク１１及び水タンク１２から供給されたメタノール及び水が混合タンク１３内で混合され、所望の液体濃度としたメタノール水溶液が得られる。このメタノール水溶液は、ポンプ１５の運転により、超音波振動子３２、液体濃度検出装置３０及び燃料電池２０の順に通過して流路１４を循環する。このため、液体濃度検出装置３０で濃度測定される混合液体は、超音波振動子３２から超音波の照射を受けたものとなる。
【００２４】
このようにして超音波の照射を受けたメタノール水溶液は、液体濃度検出装置３０が誘電率の変化から液体濃度（メタノール濃度）を測定し、この液体濃度が燃料電池２０の出力制御を行う制御パラメータとして使用される。ここでの液体濃度測定は、液体濃度センサ３１における検出電極間の静電容量を検出し、この静電容量から誘電率を算出した後、この誘電率から液体濃度を算出して得られる。
【００２５】
図３に示す実験結果のグラフには、横軸に測定開始からの時間（秒）をとり、縦軸に静電容量の測定値（ｐＦ）をとって、経過時間に応じた測定値の変化が示されている。この実験結果によれば、下段となる超音波あり（左側の目盛り）の場合、測定開始直後の約３７．９ｐＦから５０秒間程度測定値が略直線的に低下した後には、おおよそ３７．７５ｐＦ±０．０５ｐＦの範囲内に入ると共に、激しい変動のない（ばらつきのない）安定した値が得られている。このような実験結果から、超音波の照射を受けたメタノール水溶液では、局所的な濃淡の不均一が解消されて均一な濃度の水溶液になっていると解釈することができる。
【００２６】
この実験のサンプル水としては、水１００ｍｌにメタノール３ｍｌの割合で混合したメタノール水溶液を使用する。このサンプル水をビーカーに入れ、ビーカーごと５０Ｗ超音波洗浄機に３０秒間浸すことで混合液体への超音波照射を行った。なお、静電容量の測定は、超音波の照射を終了したサンプル水内に一対の平板電極を配設し、所定の交流電圧を印加しながら１０秒間隔で測定して得られた測定値を図３にプロットした。
また、超音波なしの実験結果についても、超音波照射以外は全く同じ条件で静電容量を測定した。
【００２７】
ところで、超音波照射以外は同様の条件で繰り返し行った実験結果において、静電容量の測定値は、超音波ありが３７．７５ｐＦ程度、超音波なしが３８．０５ｐＦ程度と両測定値間には常に同程度の差が生じている。このような差が生じるのは、超音波の混合撹拌効果により均一性が増して、誘電率の低いメタノールの影響がより顕著に発現したためと推測される。
また、超音波ありの場合、最初の約５０秒間は略直線的な変化をしているが、このような変化が生じるのは、液体濃度センサを溶液中へ投入すると、液体濃度センサの電極最表面への極性分子の最配列のための時間が必要であることを示しているためと推測される。また、電極表面の材質や静電容量の検出回路方法によって略直線的な変化以外の異なる変化を示すことも推測される。
【００２８】
続いて、本発明の第２の実施形態を図２に基づいて説明する。
図２に示す直接メタノール型燃料電池の燃料供給装置１０Ａは、超音波振動子３２の設置位置及び設置個数が異なっており、他の構成は第１の実施形態と同様である。従って、ここでは図１と同様の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図２の場合、超音波振動子３２は混合タンク１３の内部と、混合タンク１３と液体濃度センサ３１との間を連結する流路１４内に設置されている。すなわち、メタノールと水とを混合する混合タンク１３内で第１回目の超音波照射を行い、さらに、実際に濃度測定を行う液体濃度検出センサ３１の上流側近傍で第２回目の超音波照射を行っている。
【００２９】
このような超音波振動子３２の配置とすれば、混合タンク１３内及び液体濃度センサ３１の上流側の２箇所で２回の超音波照射による撹拌を行うことができるので、局所的な濃淡のない混合状態のメタノール水溶液をより一層確実に形成することができる。また、超音波振動子３２を混合タンク３２や流路１４の内部に配設したので、外部に設置する場合と比較して小さな出力で同等の効果を得ることができる。
【００３０】
さて、本発明における超音波振動子３２は、上述した第１及び第２の実施形態に限定されることはなく、適宜変更することができる。
すなわち、メタノール水溶液は閉回路の流路１４を循環し、必要量のメタノールや水が適宜補充されて所望の濃度を維持するものであるから、超音波振動子３２は、閉回路の流路１４内であれば液体濃度センサ３１の上流側及び下流側の近傍を除いてどこに設置してもよい。従って、超音波振動子３２の設置位置は、上述した混合タンク１３と燃料電池２０との間を連結する流路１４は勿論のこと、ポンプ１５の適所、あるいは流路１４の他の部分としてもよい。なお、混合タンク１３についても、メタノール水溶液が循環する流路の一部であるから、超音波振動子３２の単独設置や他の部分との併設が可能である。
【００３１】
また、超音波振動子３２の設置位置は、混合タンク１３や流路１４の外側、あるいは内側のいずれであってもよい。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の液体濃度検出装置は、特に、直接メタノール型燃料電池におけるメタノール水溶液中のメタノール濃度検出手段として好適ではあるが、この他にも、たとえば混合割合に応じて誘電率が変化するアルコール類の水溶液濃度など、すなわち誘電率の異なる複数の液体の混合割合を検出する濃度検出手段としても広く使用することができる。
また、本発明の液体濃度検出装置は、たとえばビタミンのような固体または粉体を水に溶かして得られる水溶液の濃度を検出する濃度検出手段としても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る燃料電池の燃料供給装置の第１の実施形態を示す系統図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の燃料供給装置の第２の実施形態を示す系統図である。
【図３】本発明の効果を示す実験結果のグラフであり、メタノール水溶液に超音波を照射した場合及び照射しない場合について、経過時間（秒）と静電容量（ｐＦ）の測定値との関係が示されている。
【符号の説明】
【００３４】
１０，１０Ａ    燃料供給装置
１１    メタノールタンク（燃料貯蔵容器）
１２    水タンク（電解質貯蔵容器）
１３    混合タンク（混合容器）
１４    流路
１５    ポンプ（液送手段）
２０    燃料電池（ＤＭＦＣ）
３０    液体濃度検出装置
３１    液体濃度センサ
３２    超音波振動子（超音波発生手段）
【図１】
2005121430.tif 000003
【図２】
2005121430.tif 000004
【図３】
2005121430.tif 000005